JP2010025111A - Method and arrangement for damping of tower-oscillations - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、タワー振動を減衰する方法および装置に関する。殊に、本発明は頂部にナセルが設けられている風力タービンのタワーに関する。 The present invention relates to a method and apparatus for damping tower vibration. In particular, the invention relates to a wind turbine tower provided with a nacelle at the top.
風力タービンタワーが振動していると、タワーの運動が生じることになる。これにより大きな負荷が生じ、この負荷はウィンドタワーに取り付けられているヨー系、風力タービンナセル内の歯車、またタワー自体に作用する。 When the wind turbine tower is oscillating, tower motion will occur. This creates a large load that acts on the yaw system attached to the wind tower, the gears in the wind turbine nacelle, and the tower itself.
この作用をタワー振動のいわゆる「アクティブダンピング（active damping）」によって、すなわちタワー振動を能動的に減衰することによって低減することが公知である。 It is known to reduce this effect by so-called “active damping” of tower vibration, ie by actively dampening tower vibration.
特許文献１には、制御トルクに基づいて振動を減衰するための手段が開示されている。風力タービン用の振動減衰系がタワーに取り付けられている。この振動減衰系は振動ダンパを有し、この振動ダンパはトルクを制御するために可変の信号を使用する。可変の信号は発電機の速度を基礎としている。
タワー振動を処理するための別の手段として、タワーの運動によって惹起される余剰の力に耐えるには十分な強度を有するように関連する機械構造を設計することが考えられる。 Another way to handle tower vibrations is to design the associated mechanical structure to be strong enough to withstand the extra forces caused by the tower motion.
さらには、関連する尖った部品は摩損や破損に起因して頻繁に交換されなければならない。 Furthermore, the associated pointed parts must be replaced frequently due to wear and tear.
本発明の課題は、風力タービンのタワー振動を減衰するための改善された方法および装置を提供することである。 It is an object of the present invention to provide an improved method and apparatus for dampening tower vibrations of a wind turbine.
方法に関する課題は、電力基準信号が制御に使用される前に、この電力基準信号に可変の電力オフセット信号を加え、可変の電力オフセット信号は電力基準信号の平均値を基礎とし、且つタワーの周波数を基礎とすることによって解決される。 The problem with the method is that before the power reference signal is used for control, a variable power offset signal is added to the power reference signal, the variable power offset signal being based on the average value of the power reference signal and the frequency of the tower. It is solved by using as a basis.
また装置に関する課題は、電力コントローラと変換器との間に合算ユニットが設けられており、この合算ユニットは、電力基準信号が変換器の制御に使用される前に、この電力基準信号に可変の電力オフセット信号が加えられるように電力コントローラおよび変換器と接続されており、可変の電力オフセット信号は電力基準信号の平均値を基礎とし、且つタワーの周波数を基礎とすることによって解決される。 Another problem with the apparatus is that a summation unit is provided between the power controller and the converter, and this summation unit can be changed to a power reference signal before the power reference signal is used to control the converter. Connected to the power controller and converter so that a power offset signal is applied, the variable power offset signal is resolved by being based on the average value of the power reference signal and based on the tower frequency.
タワー振動を減衰するための本発明の方法によれば、回転がタワーの頂部に配置されている発電機によって電力に変換される。電力は変換器によって交流電流から直流電流に変換され、再び交流電流に変換される。供給された電力を制御するために電力基準信号が使用される。電力基準信号が制御に使用される前に、この電力基準信号には可変の電力オフセット信号が加えられる。可変の電力オフセット信号は電力基準信号の平均値を基礎としており、またタワーの並列（side-by-side）振動も基礎としている。 According to the method of the invention for dampening tower vibration, rotation is converted into electric power by a generator located at the top of the tower. The electric power is converted from an alternating current to a direct current by a converter, and then converted into an alternating current again. A power reference signal is used to control the supplied power. A variable power offset signal is added to the power reference signal before it is used for control. The variable power offset signal is based on the average value of the power reference signal and is also based on the side-by-side vibration of the tower.
本発明によれば、タワーのトルクが別の電力によって発振されるように電力調整点が変更される。この電力はタワー振動と同じ周波数を示すが、適合された位相シフトを示す。位相シフトは、タワー振動が低減されるように適合されており、典型的には１８０°の位相シフトが使用される。 According to the present invention, the power adjustment point is changed so that the tower torque is oscillated by another power. This power shows the same frequency as the tower vibration, but with an adapted phase shift. The phase shift is adapted to reduce tower vibration and typically a 180 ° phase shift is used.
有利な実施形態においては、タワー振動またはタワー揺動がＧセンサにより測定される。このセンサをタワーの頂部または風力タービンのナセル内などに配置することができる。 In an advantageous embodiment, tower vibration or tower swing is measured by a G sensor. This sensor can be located at the top of the tower or in the nacelle of the wind turbine.
センサの信号はフィルタリングされ、最適化された位相シフトを得るために遅延される。続いてこの位相シフトされた信号は平均電力基準信号と乗算され、タワー振動の減衰に使用されるべき信号の電力が平均電力基準信号でスケーリングされることが保証される。 The sensor signal is filtered and delayed to obtain an optimized phase shift. This phase shifted signal is then multiplied with the average power reference signal to ensure that the power of the signal to be used for attenuation of the tower vibration is scaled with the average power reference signal.
電力基準信号が変換器の制御に使用される前に、この電力基準信号に減衰信号が加えられる。 Before the power reference signal is used to control the converter, an attenuation signal is added to the power reference signal.
有利な実施形態においては、乗算により形成された信号がソフトサチュレータ（soft-saturator）機能によって飽和される。このような信号の飽和は信号の振幅が大きくなりすぎないことを保証するために実施される。信号の振幅が大きくなりすぎると風力タービンが損傷するか、風力タービンにおける大きな負荷が惹起される虞がある。ソフトサチュレーションによってタワー周波数の高調波が回避される。 In an advantageous embodiment, the signal formed by the multiplication is saturated by a soft-saturator function. Such signal saturation is performed to ensure that the amplitude of the signal does not become too large. If the amplitude of the signal becomes too large, the wind turbine may be damaged or a large load on the wind turbine may be caused. Soft saturation avoids tower frequency harmonics.
上述の従来技術においては、発電機の速度信号がタワー振動を減衰するための制御系の重要な部分である。平均電力が低減されており、且つ回転速度が一定である場合には、電力基準信号の減衰に関して特許文献１に記載されているような基準としてのトルクが使用されることによって、減衰された電力基準信号と平均電力基準信号の関係性が強くなってしまう。これによって電線網における高フリッカーレベルが生じる。これとは異なり、本発明によれば電線網においてより低いフリッカーレベルが問題なく得られる。
In the above-described prior art, the generator speed signal is an important part of the control system for damping tower vibration. When the average power is reduced and the rotation speed is constant, the attenuated power is obtained by using a torque as a reference as described in
本発明による乗算によって電力基準信号を調整することにより達成される改善は、調整された電力基準信号が平均電力信号との一定の関係を示すことである。 The improvement achieved by adjusting the power reference signal by multiplication according to the present invention is that the adjusted power reference signal exhibits a certain relationship with the average power signal.
図１によれば、風力タービンのナセルは風を受けて回転する複数のブレードＢＬを有している。結果として生じる回転は発電機またはモータＭに作用し、生じた回転は電力に変換される。 According to FIG. 1, the nacelle of the wind turbine has a plurality of blades BL that rotate by receiving wind. The resulting rotation acts on the generator or motor M, and the resulting rotation is converted to electrical power.
周波数変動ＡＣ電力は、接続されている電線網に適合させるために静的な周波数に変換される。この変換は変換器ＣＯＮＶによって行われる。この変換器ＣＯＮＶは発電機コンバータおよび電線網インバータの組合せからなる。 The frequency varying AC power is converted to a static frequency to adapt to the connected electrical grid. This conversion is performed by the converter CONV. This converter CONV consists of a combination of a generator converter and a network inverter.
発電機コンバータは交流電流を直流電流に変換する。電線網インバータは直流電流を、接続されている電線網に適合されている周波数を有する交流電流に再び変換する。 The generator converter converts alternating current into direct current. The grid inverter again converts the direct current into an alternating current having a frequency adapted to the connected grid.
電力コントローラＰＷＣは回転から得られた電力を定格電力値に調整するために使用される。この制御は変換器ＣＯＮＶに供給される電力基準信号PowerRefを用いて実施される。 The power controller PWC is used to adjust the power obtained from the rotation to the rated power value. This control is performed using the power reference signal PowerRef supplied to the converter CONV.
定格電力値に達すると、電力基準信号PowerRefは一定に維持される。 When the rated power value is reached, the power reference signal PowerRef is kept constant.
電力コントローラＰＷＣの電力基準信号PowerRefは合算ユニットＳＵＭを介して変換器ＣＯＮＶに供給される。電力基準信号PowerRefは変換器ＣＯＮＶに到達する前に、合算ユニットＳＵＭによって修正される。つまり電力基準信号PowerRefは第１の入力信号として合算ユニットＳＵＭに供給される。 The power reference signal PowerRef of the power controller PWC is supplied to the converter CONV via the summation unit SUM. The power reference signal PowerRef is modified by the summation unit SUM before reaching the converter CONV. That is, the power reference signal PowerRef is supplied to the summation unit SUM as the first input signal.
電力基準信号PowerRefは、修正に関して、合算ユニットＳＵＭに対する第２の入力信号を形成するためにも使用される。 The power reference signal PowerRef is also used to form a second input signal for the summation unit SUM for correction.
電力基準信号PowerRefはローパスフィルタＬＰＦにも供給される。ローパスフィルタＬＰＦは選択された期間に依存して平均電力値ＭＰＶを算出する。一般的に数秒の期間が使用される。 The power reference signal PowerRef is also supplied to the low pass filter LPF. The low pass filter LPF calculates an average power value MPV depending on the selected period. A period of several seconds is generally used.
算出された平均電力値ＭＰＶは入力信号として第１の乗算ユニットＭＵＬ１に供給される。 The calculated average power value MPV is supplied as an input signal to the first multiplication unit MUL1.
加速度計ＡＣＣが設けられており、この加速度計ＡＣＣはタワーの振動信号を測定するために使用される。例えばこのために、タワーの頂部に配置されているか、風力タービンのナセル内に配置されている、いわゆる「Ｇセンサ」を使用することができる。 An accelerometer ACC is provided, which is used to measure the vibration signal of the tower. For example, a so-called “G sensor” can be used for this purpose, which is arranged at the top of the tower or in the nacelle of the wind turbine.
しかしながらこの振動信号は雑音のような他の信号による干渉を受けているので、測定された振動信号から干渉信号を除去するためにフィルタリングおよび位相調整ユニットＦＰＡが使用されるべきである。 However, since this vibration signal is subject to interference by other signals such as noise, a filtering and phase adjustment unit FPA should be used to remove the interference signal from the measured vibration signal.
したがって、加速信号Ａｃｃ＿Ｘおよびタワー周波数信号ＴｗｒＦｒｑが測定され、フィルタリングおよび位相調整ユニットＦＰＡのフィルタセッティングおよび遅延セッティングの調整に使用される。 Therefore, the acceleration signal Acc_X and the tower frequency signal TwrFrq are measured and used to adjust the filter settings and delay settings of the filtering and phase adjustment unit FPA.
続いてフィルタリングおよび位相調整ユニットＦＰＡはダンプゲインユニットＤＧに対する入力信号として使用されるべき出力信号を形成する。 Subsequently, the filtering and phase adjustment unit FPA forms an output signal to be used as an input signal to the dump gain unit DG.
ダンプゲインユニットＤＧは、後に必要とされる計算のために使用される振幅を有する加速信号Ａｃｃ＿Ｘを表す信号を形成するための入力信号の振幅調整に使用される。 The dump gain unit DG is used to adjust the amplitude of the input signal to form a signal representing the acceleration signal Acc_X having an amplitude that will be used for later required calculations.
これにより目下のタワー周波数ＡＴＦが得られ、この目下のタワー周波数ＡＴＦは入力信号として第１の乗算ユニットＭＵＬ１に供給される。 Thus, the current tower frequency ATF is obtained, and this current tower frequency ATF is supplied as an input signal to the first multiplication unit MUL1.
第１の乗算ユニットＭＵＬ１は出力信号としてのタワー振動信号ＴＯＳを算出する。このタワー振動信号ＴＯＳは、以下に説明するようないわゆる「ソフトサチュレータ機能」を実施するソフトサチュレートユニットＳｓによって飽和される。飽和の結果、出力信号PowerOffsetが「ソフトサチュレート」ユニットによって形成される。 The first multiplication unit MUL1 calculates a tower vibration signal TOS as an output signal. The tower vibration signal TOS is saturated by a soft saturating unit Ss that performs a so-called “soft saturator function” as described below. As a result of saturation, the output signal PowerOffset is formed by a “soft saturating” unit.
ソフトサチュレート機能は利得を有し、この利得は０と１の間で動的に調整される。タワー振動信号ＴＯＳのピーク値が所定の飽和限界に達すると、利得が低減される。つまり出力信号PowerOffsetは飽和限界以下に維持される。 The soft saturating function has a gain that is dynamically adjusted between 0 and 1. When the peak value of the tower vibration signal TOS reaches a predetermined saturation limit, the gain is reduced. That is, the output signal PowerOffset is maintained below the saturation limit.
タワー振動信号ＴＯＳのピーク値が低減されると、利得は再び段階的に動的に高められる。 When the peak value of the tower vibration signal TOS is reduced, the gain is dynamically increased stepwise again.
ソフトサチュレート機能については下記において図２を参照しながら説明する。 The soft saturating function will be described below with reference to FIG.
電力基準信号PowerRefおよび出力信号PowerOffsetが合算ユニットＳＵＭによって合算され、修正された電力基準信号PowerRefAdjが形成され、変換器ＣＯＮＶに供給される。 The power reference signal PowerRef and the output signal PowerOffset are summed by the summation unit SUM to form a modified power reference signal PowerRefAdj and supplied to the converter CONV.
この調整された電力基準信号PowerRefAdjは上記のような変換器ＣＯＮＶの制御に使用される。 This adjusted power reference signal PowerRefAdj is used to control the converter CONV as described above.
図２は、図１に関連する、ソフトサチュレート機能を実施するための実施例を示す。 FIG. 2 illustrates an embodiment for implementing the soft saturating function associated with FIG.
第２の乗算ユニットＭＵＬ２の出力信号ＯＳＳは入力信号としてサチュレーションユニットＳＡＴに供給される。このサチュレーションユニットＳＡＴは、出力信号ｏｕｔｓとなる信号の最大レベルを規定するために信号ＯＳＳを飽和させる。 The output signal OSS of the second multiplication unit MUL2 is supplied as an input signal to the saturation unit SAT. The saturation unit SAT saturates the signal OSS in order to define the maximum level of the signal that becomes the output signal outs.
信号ＯＳＳと信号ｏｕｔｓの差分信号ＤＩＦＦは第１の偏差ユニットＤＥＶ１によって算出される。続いて、差分信号ＤＩＦＦの絶対値が算出され、その数値が係数「Ｋ」と乗算され、ステアリング信号ＳＳが算出される。 The difference signal DIFF between the signal OSS and the signal outs is calculated by the first deviation unit DEV1. Subsequently, the absolute value of the difference signal DIFF is calculated, and the numerical value is multiplied by the coefficient “K” to calculate the steering signal SS.
係数Ｋはどれ程の速さで信号ＯＳＳが低減されるべきかを表す。 The factor K represents how fast the signal OSS is to be reduced.
ステアリング信号ＳＳは信号ＯＳＳの飽和を表す。 The steering signal SS represents the saturation of the signal OSS.
ステアリング信号ＳＳは入力信号として第２の偏差ユニットＤＥＶ２に供給される。解放時間ＲＴも別の入力信号として第２の偏差ユニットＤＥＶ２に供給される。 The steering signal SS is supplied as an input signal to the second deviation unit DEV2. The release time RT is also supplied to the second deviation unit DEV2 as another input signal.
第２の偏差ユニットＤＥＶ２の出力信号は基準値ＲＷを選択するために使用され、この基準値ＲＷはメモリユニットＭＥＭを介して、入力信号として第２の乗算ユニットＭＵＬ２に供給され、且つ入力信号として第２の偏差ユニットＤＥＶ２にフィードバックされる。 The output signal of the second deviation unit DEV2 is used to select a reference value RW, which is supplied as an input signal to the second multiplication unit MUL2 via the memory unit MEM and as an input signal. It is fed back to the second deviation unit DEV2.
第２の偏差ユニットＤＥＶ２は上述の入力信号間の差分を算出する。 The second deviation unit DEV2 calculates the difference between the above input signals.
基準値ＲＷは通常の場合「１」となる。サチュレーションユニットＳＡＴが信号ＯＳＳをクリップする場合には、基準値ＲＷは「０」に向かって変化する。 The reference value RW is normally “1”. When the saturation unit SAT clips the signal OSS, the reference value RW changes toward “0”.
上述のループに基づき、基準値ＲＷにより低減された信号ＯＳＳが生じる。基準値ＲＷはサチュレーションユニットＳＡＴ内での信号ＯＳＳのクリッピングを回避するために使用される。 Based on the loop described above, the signal OSS reduced by the reference value RW results. The reference value RW is used to avoid clipping of the signal OSS within the saturation unit SAT.
Claims (13)
タワーの頂部に設けられている発電機（Ｍ）によって回転を電力に変換し、
前記電力を変換器（ＣＯＮＶ）によって交流電流から直流電流に変換し、該直流電流を再び交流電流に変換し、
前記変換器（ＣＯＮＶ）は供給された電力の制御に電力基準信号（PowerRef）を使用する、タワー振動を減衰する方法において、
前記電力基準信号（PowerRef）が制御に使用される前に、該電力基準信号（PowerRef）に可変の電力オフセット信号（PowerOffset）を加え、
前記可変の電力オフセット信号（PowerOffset）は前記電力基準信号（PowerRef）の平均値（ＭＰＶ）を基礎とし、且つ前記タワーの周波数（ＡＴＦ）を基礎とすることを特徴とする、タワー振動を減衰する方法。 A method of dampening tower vibration,
The generator (M) installed at the top of the tower converts the rotation into electric power,
The power is converted from alternating current to direct current by a converter (CONV), the direct current is converted back to alternating current,
In the method of attenuating tower vibration, the converter (CONV) uses a power reference signal (PowerRef) to control the supplied power.
Before the power reference signal (PowerRef) is used for control, a variable power offset signal (PowerOffset) is added to the power reference signal (PowerRef),
The variable power offset signal (PowerOffset) is based on an average value (MPV) of the power reference signal (PowerRef) and is based on the frequency (ATF) of the tower. Method.
タワーの振動信号の測定によって、
前記振動信号からの干渉信号の除去によって、および、
干渉のない信号の振幅の調整によって決定する、請求項１から３までのいずれか１項記載の方法。 The tower frequency (ATF) is
By measuring the vibration signal of the tower,
By removing an interference signal from the vibration signal; and
4. The method according to claim 1, wherein the method is determined by adjusting the amplitude of the signal without interference.
前記第１の信号と前記第２の信号の乗算によってタワー振動信号（ＴＯＳ）を算出し、
前記タワー振動信号（ＴＯＳ）と乗算される利得係数を選択し、
前記タワー振動信号（ＴＯＳ）のピーク値が所定の飽和限界に達すると、前記利得係数を動的に低減することによって実施し、
前記可変の電力オフセット信号（PowerOffset）を前記飽和限界以下に維持する、請求項５および２記載の方法。 Soft saturation,
Calculating a tower vibration signal (TOS) by multiplying the first signal and the second signal;
Selecting a gain factor to be multiplied with the tower vibration signal (TOS);
When the peak value of the tower vibration signal (TOS) reaches a predetermined saturation limit, by dynamically reducing the gain factor;
The method according to claim 5 and 2, wherein the variable power offset signal (PowerOffset) is maintained below the saturation limit.
回転を電力に変換する発電機（Ｍ）と、
前記発電機（Ｍ）と接続されており、且つ周波数変動ＡＣ電力を、接続されている電線網に適合された静的なＡＣ電力に変換する変換器（ＣＯＮＶ）と、
前記変換器（ＣＯＮＶ）に接続されている電力コントローラ（ＰＷＣ）とを有し、該電力コントローラ（ＰＷＣ）の電力基準信号（PowerRef）が前記回転から得られた電力を定格電力値に調整するために前記変換器（ＣＯＮＶ）の制御に使用される、タワー振動を減衰する装置において、
前記電力コントローラ（ＰＷＣ）と前記変換器（ＣＯＮＶ）との間に合算ユニット（ＳＵＭ）が設けられており、該合算ユニット（ＳＵＭ）は、前記電力基準信号（PowerRef）が前記変換器（ＣＯＮＶ）の制御に使用される前に、該電力基準信号（PowerRef）に可変の電力オフセット信号（PowerOffset）が加えられるように前記電力コントローラ（ＰＷＣ）および前記変換器（ＣＯＮＶ）と接続されており、
前記可変の電力オフセット信号（PowerOffset）は前記電力基準信号（PowerRef）の平均値（ＭＰＶ）を基礎とし、且つ前記タワーの周波数（ＡＴＦ）を基礎とすることを特徴とする、タワー振動を減衰する装置。 A device for attenuating tower vibration by the method according to any one of claims 1 to 7,
A generator (M) that converts rotation into electric power;
A converter (CONV) connected to the generator (M) and converting frequency-varying AC power into static AC power adapted to the connected electrical network;
A power controller (PWC) connected to the converter (CONV), and a power reference signal (PowerRef) of the power controller (PWC) adjusts the power obtained from the rotation to a rated power value In an apparatus for attenuating tower vibration used for controlling the converter (CONV),
A summing unit (SUM) is provided between the power controller (PWC) and the converter (CONV), and the summing unit (SUM) has the power reference signal (PowerRef) as the converter (CONV). Connected to the power controller (PWC) and the converter (CONV) so that a variable power offset signal (PowerOffset) is added to the power reference signal (PowerRef)
The variable power offset signal (PowerOffset) is based on an average value (MPV) of the power reference signal (PowerRef) and is based on the frequency (ATF) of the tower. apparatus.
フィルタリングおよび位相調整用のユニット（ＦＰＡ）が設けられており、該フィルタリングおよび位相調整用のユニット（ＦＰＡ）は前記加速度計（ＡＣＣ）と接続されており、且つ測定された前記振動信号から干渉信号を除去し、
ダンプゲインユニット（ＤＧ）が設けられており、該ダンプゲインユニット（ＤＧ）は前記フィルタリングおよび位相調整用のユニット（ＦＰＡ）と接続されており、且つ前記タワーの周波数（ＡＴＦ）を表す干渉のない前記振動信号の振幅を調整し、
前記ダンプゲインユニット（ＤＧ）は前記第１の乗算器（ＭＵＬ１）と接続されており、且つ乗算によって前記可変の電力オフセット信号（PowerOffset）を算出する、請求項８または９記載の装置。 An accelerometer (ACC) is provided, which measures the vibration signal of the tower;
A filtering and phase adjusting unit (FPA) is provided, the filtering and phase adjusting unit (FPA) is connected to the accelerometer (ACC), and an interference signal is obtained from the measured vibration signal. Remove
A dump gain unit (DG) is provided, the dump gain unit (DG) is connected to the filtering and phase adjusting unit (FPA), and has no interference representing the tower frequency (ATF). Adjusting the amplitude of the vibration signal;
The apparatus according to claim 8 or 9, wherein the dump gain unit (DG) is connected to the first multiplier (MUL1) and calculates the variable power offset signal (PowerOffset) by multiplication.
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